增壓汽油機(jī)低壓EGR控制模型開發(fā)及驗(yàn)證

李家玲 王強(qiáng) 王廷偉 孫鵬遠(yuǎn) 龍立

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130013）

主題詞：增壓汽油機(jī) 低壓EGR 控制模型 試驗(yàn)驗(yàn)證

EGR Exhaust Gas Recirculation

MCU Micro Controller Unit

ECU Electronic Control Unit

VVT Variable Valve Timing

CAN Controller Area Network

OCV Oil Control Valve

GPF Gasoline Particulate Filter

BMEP Brake Mean Effective Pressure

PWM Pulse Width Modulation

PID Proportional Integral Derivative

1 前言

近年來，盡管我國的新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，但燃油車仍在全國汽車保有量中占據(jù)主導(dǎo)地位。在燃油車方面，主機(jī)廠正在廣泛地應(yīng)用可變氣門正時(shí)（VVT）、米勒循環(huán)（Miller Cycle）、廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)。EGR 技術(shù)是指將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功后的部分廢氣通過管路引入進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸的技術(shù)。通過EGR引入的廢氣在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)具有稀釋作用和熱容效應(yīng)，在部分負(fù)荷工況下，可以降低泵氣損失和傳熱損失，從而提升理論熱效率。在全負(fù)荷工況下，EGR 可以降低燃燒溫度，從而抑制爆震以及減少“過噴油”來降低油耗；另外EGR還可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣引入氣缸的過程中是否經(jīng)過進(jìn)氣系統(tǒng)，EGR 技術(shù)可分為內(nèi)部EGR 和外部EGR。內(nèi)部EGR 是通過改變氣門正時(shí)進(jìn)而改變氣門重疊期使部分廢氣滯留在氣缸內(nèi)；而外部EGR則是通過外接管路將排氣管中的廢氣引入進(jìn)氣管路中，在進(jìn)氣管路與新鮮空氣混合后再進(jìn)入氣缸。外部EGR 根據(jù)廢氣取出和引入位置的不同，可分為高壓EGR、低壓EGR 和混合EGR。低壓EGR 是指廢氣從渦輪機(jī)下游取出，由壓氣機(jī)上游引入。相較于高壓EGR和混合EGR，低壓EGR 在低轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下不存在負(fù)壓差區(qū)域，保證了大量的EGR 廢氣可以順利地流入缸內(nèi)發(fā)揮作用，因此低壓EGR 具有更寬的工作范圍，且不會(huì)對(duì)壓氣機(jī)的工作效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程中，EGR率必須得到精確地控制。若引入的EGR率過低，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)難以達(dá)到預(yù)期的節(jié)能減排效果，若EGR率過高則會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性變差。而EGR系統(tǒng)控制的關(guān)鍵就是在不同工況下精確控制EGR 率達(dá)到最優(yōu)的EGR 率。因此本文以一臺(tái)2.0 L 增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，開發(fā)了一種精確低壓EGR 控制模型，并完成了臺(tái)架標(biāo)定和控制精度驗(yàn)證。

2 低壓EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低壓EGR 系統(tǒng)布置型式如圖1 所示。低壓EGR系統(tǒng)主要由EGR閥、混合閥、EGR冷卻器組成，傳感器包括溫度、壓差和EGR 閥位置傳感器。在低壓EGR系統(tǒng)中，廢氣由催化器下游取出，流經(jīng)EGR 冷卻器和EGR 閥，在混合閥的控制作用下，與新鮮空氣充分混合，經(jīng)過壓氣機(jī)增壓和進(jìn)氣中冷器的冷卻作用，進(jìn)入氣缸內(nèi)。

圖1 低壓EGR系統(tǒng)布置

2.1 混合閥

混合閥選用汽油機(jī)上常用的蝶閥結(jié)構(gòu)，為常開閥?；旌祥y的控制電路采用直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路，采用占空比信號(hào)（PWM）進(jìn)行控制進(jìn)氣量。當(dāng)存在EGR 需求時(shí)，混合閥產(chǎn)生一定的開度，用于產(chǎn)生EGR閥前、后的壓力差，以便于EGR 廢氣引入壓氣機(jī)進(jìn)氣管路。

2.2 EGR閥

EGR閥同樣選用蝶閥結(jié)構(gòu)，并采用直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路和占空比信號(hào)控制。EGR閥為常閉閥，閥門開度決定了EGR 流量和EGR 率，EGR 閥開度由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU）控制。

蝶閥處的流量計(jì)算基于可壓縮流體流過閥口時(shí)的流量方程為：

2.3 EGR冷卻器

EGR 冷卻器采用汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻液進(jìn)行冷卻。主要用于降低EGR氣體溫度，避免對(duì)新鮮空氣進(jìn)行加熱而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆震和燃燒惡化。

2.4 EGR壓差傳感器和溫度傳感器

EGR壓差傳感器用于精確測量EGR閥上、下游的氣體壓力，EGR溫度傳感器則用于測量EGR閥上游的氣體溫度。

3 低壓EGR系統(tǒng)控制策略開發(fā)

3.1 低壓EGR系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)低壓EGR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的控制流程圖。低壓EGR系統(tǒng)基本控制流程如下。

圖2 低壓EGR系統(tǒng)控制流程

（1）根據(jù)整車和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行EGR系統(tǒng)使能判斷；

（2）當(dāng)存在EGR 率需求時(shí)，根據(jù)工況條件計(jì)算混合閥需求開度，并控制混合閥至目標(biāo)開度；

（3）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況查詢目標(biāo)EGR 率圖表，同時(shí)計(jì)算目標(biāo)EGR質(zhì)量流量；

（4）根據(jù)目標(biāo)EGR 質(zhì)量流量計(jì)算目標(biāo)EGR 閥開度，并控制EGR閥至目標(biāo)開度；

（5）根據(jù)EGR閥位置傳感器獲取的實(shí)際開度計(jì)算EGR氣體的實(shí)際質(zhì)量流量；

（6）根據(jù)空氣流量計(jì)獲取的新鮮空氣質(zhì)量流量、EGR實(shí)際質(zhì)量流量以及系統(tǒng)延遲時(shí)間，計(jì)算缸內(nèi)實(shí)際的EGR率；

（7）計(jì)算進(jìn)、排氣VVT 角度修正量和點(diǎn)火角的修正量。

3.2 低壓EGR系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的低壓EGR系統(tǒng)控制流程，為完成低壓EGR 系統(tǒng)的功能開發(fā)，將整個(gè)低壓EGR 控制系統(tǒng)劃分為7個(gè)子系統(tǒng)功能模塊，包括使能判別模塊、需求計(jì)算模塊、閥門控制模塊、質(zhì)量流量計(jì)算模塊、延遲時(shí)間和修正系數(shù)的計(jì)算模塊。低壓EGR 系統(tǒng)中各功能模塊間的控制邏輯關(guān)系如圖3所示。

圖3 低壓EGR系統(tǒng)各功能模塊間的邏輯關(guān)系

3.2.1 低壓EGR使能判別模塊

當(dāng)整車車速以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、EGR 閥上游氣體溫度均達(dá)到設(shè)定值時(shí)，低壓EGR系統(tǒng)才能工作。

3.2.2 低壓EGR率需求計(jì)算模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的充氣量僅由新鮮空氣、內(nèi)部EGR和外部EGR 這3 部分組成。因此通過試驗(yàn)標(biāo)定了基于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的總EGR 率特性（MAP）圖，以及基于進(jìn)、排氣VVT 角度的內(nèi)部EGR 率MAP 圖，就可以得到目標(biāo)外部EGR率MAP圖。

3.2.3 混合閥控制模塊

在EGR 功能激活后，根據(jù)混合閥上、下游氣體壓比和溫度值，按照閥口流量公式（1）可以計(jì)算出混合閥開環(huán)目標(biāo)開度，同時(shí)根據(jù)工況進(jìn)行混合閥目標(biāo)開度的修正。

3.2.4 低壓EGR閥控制模塊

基于EGR閥處的目標(biāo)質(zhì)量流量、溫度以及壓比參數(shù)，根據(jù)閥門流量公式（1）推算出目標(biāo)EGR 閥的有效流通面積，并查詢EGR閥開度與有效流通面積的關(guān)系MAP 圖，得到了EGR 閥的目標(biāo)開度。然后根據(jù)EGR閥目標(biāo)開度和實(shí)際開度的偏差值，設(shè)計(jì)了PID 控制器，輸出EGR閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)。

3.2.5 低壓EGR質(zhì)量流量計(jì)算模塊

根據(jù)EGR 閥上游溫度和上下游壓差以及EGR 閥位置傳感器獲取的實(shí)際開度，并基于閥門流量公式（1）計(jì)算EGR閥處的實(shí)際質(zhì)量流量M。

3.2.6 低壓EGR系統(tǒng)延遲模塊

在計(jì)算缸內(nèi)實(shí)際EGR率和質(zhì)量流量時(shí)，必須要考慮EGR氣體經(jīng)過增壓器、中冷器以及進(jìn)氣管路進(jìn)入氣缸的過程中所必需的傳輸延遲時(shí)間T。基于EGR閥處的質(zhì)量流量、新鮮空氣質(zhì)量流量以及系統(tǒng)延遲時(shí)間的缸內(nèi)實(shí)際低壓EGR率計(jì)算公式如式（2）。

式中，φ為控制模型計(jì)算的低壓EGR率；M為流過EGR 閥的質(zhì)量流量；M為空氣流量計(jì)測量的新鮮空氣質(zhì)量流量；(T)為系統(tǒng)延遲時(shí)間對(duì)缸內(nèi)EGR率的修正系數(shù)。

3.2.7 基于EGR率的修正量計(jì)算模塊

根據(jù)缸內(nèi)實(shí)際低壓EGR率、發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，得到進(jìn)、排氣VVT 角度修正量以及點(diǎn)火提前角修正量。這樣可以保證在目標(biāo)EGR率和實(shí)際EGR率存在偏差時(shí)，通過點(diǎn)火角以及VVT 角度的適當(dāng)調(diào)整，能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.3 低壓EGR系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)低壓EGR控制功能，通過MATLAB-Simu?link 軟件，搭建低壓EGR 系統(tǒng)的控制模型，并完成代碼自動(dòng)生成，然后將模型代碼應(yīng)用集成工具Tasking軟件，編譯成可以刷寫到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 里的A2L、HEX工程文件。低壓EGR系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 低壓EGR系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

4 低壓EGR控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)臺(tái)架和方法

本文基于一臺(tái)搭載低壓EGR 系統(tǒng)的增壓直噴汽油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，采用CO濃度測量EGR 率法，對(duì)低壓EGR 工作區(qū)域內(nèi)的EGR 率進(jìn)行了測量，并與標(biāo)定CAN讀取模型計(jì)算的EGR率進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證低壓EGR 系統(tǒng)對(duì)EGR 率的控制準(zhǔn)確性。本文選用增壓直噴汽油機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 汽油機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)

由于低壓EGR 回路中的CO組分在與新鮮空氣混合過程中既不會(huì)消失也不會(huì)生成，因此使用CO的稀釋程度來代表低壓EGR 率。此方法需要通過排放分析儀（AVL-AMA i60）測量排氣中的CO體積百分?jǐn)?shù)以及低壓EGR 與新鮮空氣混合后的CO體積百分?jǐn)?shù)，同時(shí)忽略混合氣和廢氣的氣體常數(shù)的差異。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)、排氣兩側(cè)CO體積百分?jǐn)?shù)的測點(diǎn)位置如圖5所示。測點(diǎn)1在排氣總管上三元催化器（3WC）下游位置，測點(diǎn)2 在進(jìn)氣歧管上接近于進(jìn)氣門位置。

圖5 進(jìn)排氣兩側(cè)CO2體積百分?jǐn)?shù)測點(diǎn)位置

基于進(jìn)、排氣兩側(cè)CO體積百分?jǐn)?shù)的EGR率計(jì)算公式如式（3）。

式中，η為臺(tái)架測量的低壓EGR 率；[CO]為EGR氣體與新鮮空氣混合后的CO體積百分?jǐn)?shù)；[CO]為排氣總管催化器下游中的CO體積百分?jǐn)?shù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文在增壓汽油機(jī)的常用工作區(qū)域（1 500 r/min<轉(zhuǎn)速<4 500 r/min，0.4 MPa

將EGR 閥上、下游的壓力差定義為SEG?RP_PDif_s16，臺(tái)架測量的EGR 率變量名定義為EM_C_EGR，模型計(jì)算的EGR 率變量名定義為Fun_EGRrate，EGR 率測量值和計(jì)算值之間的絕對(duì)誤差定義為Residual_Fun_EGRrate。

由低壓EGR 控制模型的驗(yàn)證結(jié)果（圖6）可知，在不同EGR 閥上、下游壓差下，通過CO濃度計(jì)算的EGR 率與控制模型計(jì)算的EGR 率分布規(guī)律基本一致，且絕對(duì)誤差始終保持在±1%以內(nèi)。這說明在低壓EGR 工作區(qū)域內(nèi)，EGR 控制系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，準(zhǔn)確地計(jì)算出需求EGR 率和EGR 閥目標(biāo)開度，并控制EGR 閥至目標(biāo)開度，同時(shí)精確地計(jì)算出EGR閥處以及缸內(nèi)的實(shí)際EGR率。通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)充分驗(yàn)證了低壓EGR系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)EGR率的控制精度。

圖6 基于EGR閥壓差的低壓EGR控制模型驗(yàn)證

該增壓汽油機(jī)的低壓EGR控制模型驗(yàn)證完成，得到不同工況下的低壓EGR率MAP圖（圖7）。

圖7 增壓汽油機(jī)的低壓EGR率MAP

5 結(jié)束語

本文以一臺(tái)2.0 L 增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，制定了低壓EGR系統(tǒng)控制流程，確定了各功能模塊間的邏輯關(guān)系，并完成了整個(gè)低壓EGR系統(tǒng)控制模型以及軟硬件架構(gòu)的開發(fā)。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，完成了低壓EGR 模型標(biāo)定和控制功能驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，本文開發(fā)的低壓EGR 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)EGR 率控制精度始終保持在±1%以內(nèi)，滿足了低壓EGR 系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)要求。

在低壓EGR控制策略中，混合閥的使用還可以拓寬低壓EGR的工作范圍，即保證了在萬有特性曲線中有更多的工況點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)高EGR 引入量和高EGR率；并且在計(jì)算缸內(nèi)EGR 率時(shí)考慮了系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間，EGR 率的計(jì)算精確度也得到進(jìn)一步提高。為低壓EGR技術(shù)在汽油機(jī)上的廣泛應(yīng)用提供了有效的指導(dǎo)。

本文開發(fā)的低壓EGR 控制模型已經(jīng)應(yīng)用于混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目中，并完成功能驗(yàn)證和臺(tái)架標(biāo)定。在今后的工作中，將在混動(dòng)車型項(xiàng)目中進(jìn)行拓展和運(yùn)用，進(jìn)一步挖掘低壓EGR的節(jié)能減排潛力。同時(shí)在主動(dòng)式預(yù)燃燒室耦合稀燃技術(shù)實(shí)現(xiàn)45%熱效率的項(xiàng)目中，EGR技術(shù)也是不可或缺的手段之一。